【用戶成果】重慶大學黨傑團隊Chem. Eng. J.，機器(qì)學習+焦耳熱(rè)
，5秒合成高(gāo)活(huó)
性FeRu合金酸性OER催化劑



DOI:10.1016/j.cej.2026.179250

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質子交換膜(mó)水(shuǐ)電(diàn)解（PEMWE）中析(xī)氧反應（OER）動力(lì)學緩慢且催化劑易(yì)腐(fǔ)蝕，而傳統實(shí)驗和(hé)DFT計算在探(tàn)索(suǒ)二元合金空間時效率(shuài)極低。本研究(jiū)集成機器學習與DFT計算，通過GBR等集成(chéng)模型快速篩選酸性OER催化劑。基於模型預測，采用電沉積+焦耳熱（5秒升(shēng)溫至800 ℃） 合成FeRu合金。該催化劑在(zài)酸(suān)性介質中OER過電位僅171 mV（10 mA·cm⁻²），HER過電位47 mV，PEMWE中僅需1.65 V即達1 A·cm⁻²。DFT計算證實合金化優化了電子結構

，降低了決速步能壘🌣
。該工作建立了“數據挖掘(jué)→模(mó)型預測→實驗驗證"的閉環框架，大幅縮短了催化劑研發周(zhōu)期。

背景(jǐng)介紹

質子(zǐ)交(jiāo)換膜水電解（PEMWE）是綠色製氫的關鍵技術(shù)，但其陽極(jí)析(xī)
氧反應（OER）動力(lì)學(xué)
緩慢，且高(gāo)電位和強酸性環境導(dǎo)
致催化劑嚴重腐(fǔ)
蝕

。銥(yī)/釕(liǎo)
基催化劑雖活性高，但成本高，資源稀(xī)缺

。

過渡金屬合金(jīn)化被證(zhèng)明是提升(shēng)OER活性的有效策略，可誘導缺陷結構(gòu)，調控d帶中心，優化(huà)中間體吸附。然(rán)而(ér)
，二元過渡金屬合金組合超過2278種，傳(chuán)統試錯(cuò)法耗費大量人力，財力和(hé)時間🗔。近年來，機器學習(xí)在高通量材料篩選中(zhōng)展現出巨大潛力。本研究(jiū)集成DFT計算與(yǔ)機(jī)器學習，快速預測二元合金OER催化活性，並通過(guò)電沉積+焦耳熱快速製(zhì)備ZY催化(huà)劑😿，形成“理(lǐ)論(lùn)預測→實(shí)驗(yàn)驗證"的閉(bì)環(huán)研發框架🏬。

本(běn)文亮點

（1）機器學(xué)習精(jīng)
準篩選🥰：建立含(hán)130個目標特征和97個描述符的(dí)
數據集，訓練10種ML模型
，GBR模(mó)型(xíng)測試集R²達(dá)0.8935🌾，預測誤差僅(jǐn)5.03%，成(chéng)功篩選出FeRu合金(jīn)。

（2）超(chāo)快焦耳熱(rè)合(hé)成（5秒）：電(diàn)沉積前(qián)驅(qū)體後經焦耳熱快速升溫至800 ℃🤝，5秒(miǎo)內完成合(hé)
金(jīn)化，大幅縮短製備時間。

（3）優(yōu)異雙功能催化性(xìng)能：OER過電位(wèi)
171 mV（10 mA·cm⁻²），HER過電(diàn)位47 mV；PEMWE中1.65 V達1 A·cm⁻²，優於多(duō)數文獻報道
。

（4）超(chāo)長穩(wěn)定性：OER和HER均穩定(dìng)運行(háng)500 h，OER電位衰(shuāi)減僅24.6 μV·h⁻¹；PEMWE中1 A·cm⁻²下穩定(dìng)
500 h。

（5）機製(zhì)明晰：DFT+時間分辨XPS揭示(shì)Fe→Ru電子轉移(yí)（0.31 e），Fe充當“無(wú)形保護盾"抑製Ru過氧化，非晶薄層保(bǎo)護活性相。

圖文解析



圖(tú)1：機器學習模型訓練與優化

(a)二元合金的選定元素及結構示意圖（A，B表示過(guò)渡(dù)金屬
，圓圈1，2為(wéi)
吸附(fù)位點）；(b) 10種模型訓練集和(hé)測試集的R²和MSE對比
；(c) GBR的特征重要性分析🃇；(d) GBR的Pearson相關係數熱圖；(e) GBR的RFE特征消(xiāo)除
；(f) GBR的最終模型訓練結果。

圖1a展示了650種催(cuī)
化(huà)結(jié)構模型🃎
。圖1b對比10種模型，GBR和RFR表現ZY。特征重(zhòng)要性分析（圖(tú)1c）識別關鍵描述符；Pearson相(xiāng)關分析(xī)（圖1d）消除(chú)高相關特征；RFE（圖1e）確定ZY特(tè)征數為11🖴
。優化後(hòu)GBR模型測(cè)試集R²達0.8935（圖1f），預測(cè)誤差僅5.03%，證(zhèng)實(shí)模(mó)型可靠性。



圖2🚝：FeRu合金合成(chéng)
與表征

(a) FeRu合金催化劑合成示意圖
；(b) FeRu和Ru的XRD譜圖(tú)；(c) FeRu的Ru 3p XPS譜圖；(d) Fe 2p XPS譜圖(tú)🃆；(e) FeRu的SEM圖像；(f,g) FeRu的AC-HAADF-STEM圖像及對應元(yuán)素麵分布(bù)。

圖2a展(zhǎn)示“電(diàn)沉(chén)積(jī)→焦耳熱5秒"流(liú)程(chéng)
。XRD（圖2b）中FeRu衍射(shè)峰相對(duì)純Ru向高(gāo)角度偏移，證(zhèng)
實(shí)Fe（小半徑）摻入Ru晶格引起晶(jīng)格收縮。XPS（圖2c）中Ru 3p結(jié)合能負移
，表(biǎo)明Fe→Ru電子(zǐ)轉移，Ru電子密(mì)度增加。Fe 2p（圖2d）中707.29 eV峰(fēng)證實Fe⁰存(cún)在。SEM（圖(tú)2e）顯示(shì)FeRu納米(mǐ)顆粒均匀負載於鈦纖維紙(zhǐ)。AC-STEM（圖2f）顯示高度有序六(liù)方晶格；HAADF-STEM+EDS（圖2g）證實(shí)Fe和(hé)Ru原(yuán)
子級均匀分(fēn)
布
，ZDH電子協(xié)同效應(yīng)。



圖3：OER電化學性能

 (a) OER LSV曲綫🔐；(b) 電化(huà)學反應活化能壘（誤差棒(bàng)
為三次測試標準差）；(c) Tafel斜率；(d) Nyquist圖；(e) 各催化(huà)劑C_dl曲綫；(f) FeRu合金(jīn)0和5k圈CV後的OER LSV曲綫
；(g) FeRu合金與其(qí)他(tā)催化劑OER活性對比；(h) FeRu，Ru和RuO₂在100 mA·cm⁻²下的計時電位測試。

LSV（圖3a）顯示FeRu過電(diàn)位僅171 mV@10 mA·cm⁻²
，遠低於純Ru（203 mV）和RuO₂（198 mV）。Tafel斜率（圖3c）FeRu為42.46 mV·dec⁻¹，反應動力(lì)學ZY。EIS（圖3d）中(zhōng)
FeRu弧半(bàn)徑最(zuì)
小，電荷轉移XLG高(gāo)🧅。C_dl（圖3e）FeRu為12.94 mF·cm⁻²🎹，活性麵積最大。5000圈CV後（圖3f）過電位反而略有降低，歸因於表(biǎo)麵(miàn)結構重構(gòu)。500 h穩定性（圖3h）中FeRu電位衰減僅24.6 μV·h⁻¹，遠優於純Ru和RuO₂。



圖(tú)4💦：HER性能與PEMWE驗(yàn)證

(a) 不同模(mó)型中(zhōng)
NH₃的(dí)吸附能(néng)；(b) Ni 3d和Ru 4d軌道的PDOS；(c) H吸附後Ni₁₀₀Ru₀，Ni₄₀Ru₆₀和Ni₀Ru₁₀₀的PDOS；(d) Ni₁₀₀Ru₀，Ni₄₀Ru₆₀和Ni₀Ru₁₀₀團簇M–N吸附鍵的ICOHP曲綫🌿；(e) 反(fǎn)應表麵與吸附物之(zhī)間成鍵示意圖(tú)
；(f) 催化劑(jì)上(shàng)NH₃分解過程中(zhōng)各中間體的自(zì)由能變化
。

HER LSV（圖4a）中FeRu過電位僅47 mV@10 mA·cm⁻²，優於(yú)Pt/C（67 mV）🧃，純Ru（102 mV）和RuO₂（134 mV）。Tafel斜率（圖4c）僅12.79 mV·dec⁻¹
，動力學(xué)優異
。500 h穩定性（圖4d）幾乎(hū)無(wú)衰減。PEMWE（圖4f）中(zhōng)FeRu||FeRu在1.65 V達1 A·cm⁻²
，優於多(duō)數文獻。500 h穩(wěn)定(dìng)性（圖4g）電壓無顯著上升(shēng)💂，展示(shì)實際應用潛力

。



圖5：OER後結構分析與原位表征

(a) FeRu在OER後的(dí)XRD譜圖；(b) FeRu在OER後的HRTEM圖像(xiàng)；(c) FeRu合金在OER過程中的原(yuán)位Raman光譜；(d) Fe 2p和(e) Ru 3p的時間分辨XPS譜圖（FeRu）；(f) Ru在OER過程(chéng)中(zhōng)的Ru 3p XPS譜圖
；(g) FeRu合金在酸性介質中OER過程(chéng)

示意圖。

XRD（圖5a）顯示FeRu在OER後仍保持Ru特征峰，而純Ru轉化為RuO₂。HRTEM（圖5b）顯示顆粒邊緣形成非晶薄層，該薄層抑製了Fe/Ru過氧化
，使5k圈後過電位反而降低。原(yuán)
位Raman（圖5c）中Ru–O信號（428 cm⁻¹）僅在(zài)高電(diàn)位出(chū)現，且未(wèi)檢測到晶態RuO₂
，證(zhèng)實氧化僅限表(biǎo)麵非晶層。時間分辨XPS（圖5d,e）顯(xiǎn)示FeRu中Ru氧化態在OER過程中保(bǎo)持穩定(dìng)，而純Ru（圖5f）逐漸向高(gāo)結合能移動（形成可溶高價Ru）。圖5g示意Fe作為“無形保護盾"抑製(zhì)Ru過氧化🦢。



圖6：DFT理論計算

(a) H₂O的吸附能(néng)
；(b) 氧中間(jiān)體的吸附能；(c) H中(zhōng)間體的吸附能；(d) Ru–H的COHP分析(xī)🏸；(e) Ru–O的COHP分析；(f) 不同催化劑(jì)

的DOS；(g) 吸附(fù)與d帶中心示意圖🍄
；(h) 不同位點(diǎn)的d帶中(zhōng)心(xīn)；(i) FeRu中的Bader電(diàn)荷轉(zhuǎn)移。

H₂O吸(xī)
附能（圖6a）FeRuZD，Fe位點ZJ優勢。ΔG_H（圖6b）FeRu-Ru位點僅0.218 eV，接近理想值0
。OER自(zì)由能圖(tú)（圖(tú)6c）顯示FeRu決速步(bù)能(néng)壘1.723 eV，低於純Ru（1.977 eV）和RuO₂（2.089 eV）。COHP圖顯示FeRu-Ru位(wèi)點M–H鍵(jiàn)ZQ，M–O鍵適中
，有利於(yú)H吸(xī)附，且避(bì)免過強吸附。DOS圖中FeRu在費米能級態密度最高(gāo)（27.07 eV⁻¹），導電性ZY。d帶中心(xīn)
結果顯(xiǎn)示，FeRu-Ru位點（-1.85 eV）高於純Ru（-2.10 eV），增強(qiáng)反應物吸附。Bader電荷（圖6i）顯示0.31 e從Fe轉移至Ru

，證實Fe→Ru電子轉(zhuǎn)移。

總結與展(zhǎn)望

本研究建立了“DFT計算(suàn)→機(jī)器學(xué)習預測→焦耳熱快(kuài)
速合成→實驗驗證"的閉環研發框架🕊。通過訓練10種機器(qì)學習模(mó)
型，GBR模型以R²=0.8935的精度成功(gōng)從2278+種二元合金中篩選(xuǎn)出FeRu合金。采用(yòng)
電沉積+焦耳熱快速製(zhì)備的(dí)FeRu催化劑在酸性介質中表現出優異(yì)的雙功(gōng)能活性和超長穩定性
，PEMWE中1.65 V即達1 A·cm⁻²。DFT+時間分(fēn)辨XPS揭示Fe→Ru電子轉移(yí)
和Fe作為“無形保(bǎo)護盾"抑製Ru過氧化的機製。該工(gōng)作為高效酸性PEMWE催化劑的理性設計提供了新範式🥁，大幅縮短(duǎn)了催化劑研發周期😪，推動了綠(lǜ)色製(zhì)氫(qīng)技術(shù)的產業化進程(chéng)。

通(tōng)訊作者簡介

黨傑😏，重慶大學材(cái)料(liào)科學與工程學院，教授。2016年獲得(dé)北(běi)京科技(jì)
大學博士(shì)學位😸；2016年1月起在(zài)
重慶大學(xué)

工作
；2018年9月晉升副(fù)教(jiào)授；2021 年9月晉升教授(shòu)。研究方向為氫及氫冶金（電(diàn)解水製(zhì)氫；氫冶金），新能源(yuán)
材(cái)料（石墨烯/Mxene基二維材料(liào)的製(zhì)備及應用）和(hé)資源高值化利用（鈦資源提取；鎢鉬等金屬的製備；碳氮化物的合成）。以第(dì)一或通(tōng)
訊作者在Advanced Functional Materials🐽，Nano Energy，Journal of Physical Chemistry Letters, Metallurgical and Materials Transactions B等期刊發(fā)表SCI檢索論文近60篇，申請或授權發明(míng)ZL30餘項。主持包括國家自然(rán)科學(xué)基(jī)金(jīn)（優(yōu)青，麵上，青年），國家重點研發計劃青年科學家項目任務，國家(jiā)重點研發計劃(huá)子課題（2項）🃭，霍英東(dōng)青年教師(shī)基金，教育部產(chǎn)學合作(zuò)協同育人項目，重慶市麵上基金（2項）
，重慶市留學歸(guī)
國人員創新支持計劃項目(mù)（2項），國家實驗室培育基金📐，國家重點實驗室開(kāi)放基金
，中(zhōng)央高校(xiào)
基金軍(jūn)民(mín)融合項目等10餘項研究課題🥄；作為主要(yào)完(wán)成人完成美國能(néng)源(yuán)部，“973"計劃(huá)等資助的多項課題🎺。

本文使用的焦耳熱裝置由合肥(féi)原位科技有限(xiàn)公司提供，感謝老師支持(chí)和認可！